Một nhóm nghiên cứu liên kết giữa Đại học Tohoku (Nhật Bản), Shin-Etsu Chemical và Học viện Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL, Thụy Sĩ) đã phát triển một phương pháp mới cho phép dẫn sóng spin đi qua các góc gấp khúc với mức tổn hao cực thấp. Đây là một bước tiến quan trọng đối với công nghệ máy tính tiết kiệm năng lượng trong tương lai. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Applied ngày 27/5/2026 và có thể mở đường cho các trung tâm dữ liệu tiêu thụ ít điện năng hơn đáng kể so với hiện nay.

Khi trí tuệ nhân tạo, điện toán đám mây và các dịch vụ số tiếp tục phát triển, nhu cầu năng lượng của ngành công nghệ thông tin cũng tăng nhanh. Một phần đáng kể điện năng tiêu thụ hiện nay bị thất thoát dưới dạng nhiệt do sự chuyển động của các electron trong linh kiện điện tử. Vì vậy, các nhà khoa học đang tìm kiếm những phương thức truyền và xử lý thông tin mới có hiệu quả năng lượng cao hơn.

Trong số các hướng tiếp cận đang được nghiên cứu, sóng spin được xem là một ứng viên đầy triển vọng. Sóng spin là những dao động tập thể của mômen từ trong vật liệu từ tính. Thay vì truyền thông tin bằng dòng electron như trong các vi mạch hiện nay, các hệ thống spintronic (điện tử spin) sử dụng các dao động từ này để mang và xử lý tín hiệu. Do không phụ thuộc vào dòng điện chạy qua vật liệu, sóng spin có thể tạo ra ít nhiệt hơn đáng kể, qua đó giúp giảm tiêu hao năng lượng.

Tuy nhiên, việc điều khiển sóng spin trong các mạch tích hợp vẫn là một thách thức lớn. Theo PGS Taichi Goto thuộc Viện Nghiên cứu Truyền thông Điện tử, Đại học Tohoku, một trong những bài toán khó nhất của lĩnh vực này là làm thế nào để dẫn sóng spin đi qua các khúc cua hoặc góc gấp mà không làm suy giảm tín hiệu. Trong nhiều cấu trúc thử nghiệm trước đây, sóng spin thường bị tán xạ hoặc thất thoát năng lượng mạnh khi gặp các đoạn chuyển hướng phức tạp.

Để giải quyết vấn đề đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn một cách tiếp cận khác với phương pháp truyền thống. Thay vì trực tiếp khắc các đường dẫn lên màng garnet từ tính như nhiều nghiên cứu trước đây, họ đặt lên trên bề mặt vật liệu này một màng đồng được tạo hoa văn đặc biệt. Cấu trúc mới là một tinh thể magnonic (sóng spin) hai chiều gồm mạng lưới các lỗ nhỏ sắp xếp theo hình lục giác trên màng đồng. Các lỗ được liên kết với nhau bằng những khe hẹp, tạo thành một mạng tuần hoàn có khả năng kiểm soát sự lan truyền của sóng spin tương tự như cách tinh thể quang tử điều khiển ánh sáng.

Điểm then chốt của nghiên cứu nằm ở việc loại bỏ có chủ đích một dãy lỗ theo hình chữ Z. Sự thay đổi nhỏ này tạo ra một “đường khuyết tật” trong cấu trúc tuần hoàn, đóng vai trò như một ống dẫn sóng dành riêng cho sóng spin. Nhờ đó, tín hiệu có thể được định hướng đi theo quỹ đạo mong muốn mà không bị phân tán mạnh sang các vùng lân cận. Kết quả thử nghiệm cho thấy sự khác biệt rất lớn giữa thiết kế mới và các cấu trúc dẫn sóng thông thường. Trong các ống dẫn sóng kiểu gân truyền thống, tín hiệu suy giảm mạnh và hầu như không thể truyền tới đích sau khi đi qua các đoạn gấp khúc. Ngược lại, với cấu trúc tinh thể magnonic có khuyết tật hình chữ Z, sóng spin vẫn được duy trì ổn định.

Theo nhóm nghiên cứu, cường độ tín hiệu thu được cao hơn hơn 5.000 lần so với các thiết kế truyền thống. Đây là mức cải thiện rất đáng kể trong lĩnh vực spintronics, nơi việc duy trì tín hiệu qua các cấu trúc phức tạp luôn là một trong những trở ngại lớn nhất đối với ứng dụng thực tế. Kết quả này mở ra một lộ trình khả thi hướng tới các mạch tích hợp dựa trên sóng spin. Nếu có thể tiếp tục mở rộng quy mô và tích hợp với các công nghệ sản xuất vi mạch hiện nay, các hệ thống xử lý thông tin dựa trên sóng spin có thể giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng của trung tâm dữ liệu, máy chủ AI và nhiều hạ tầng số khác.

Trong bối cảnh nhu cầu tính toán toàn cầu tiếp tục tăng nhanh, đặc biệt do sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, việc tìm ra các giải pháp xử lý thông tin tiết kiệm năng lượng đang trở thành một yêu cầu cấp thiết. Vì vậy, các công nghệ dựa trên sóng spin được nhiều chuyên gia đánh giá là một trong những hướng nghiên cứu có tiềm năng nhất để duy trì đà phát triển của ngành công nghệ thông tin mà không tạo thêm áp lực quá lớn lên hệ thống năng lượng.

Nghiên cứu này cũng cho thấy vai trò của hợp tác quốc tế trong việc giải quyết các thách thức khoa học cơ bản. Việc kết hợp chuyên môn về vật liệu từ tính của Đại học Tohoku và Shin-Etsu Chemical với năng lực mô phỏng và thiết kế cấu trúc tiên tiến của EPFL đã giúp nhóm nghiên cứu vượt qua một rào cản kỹ thuật tồn tại nhiều năm trong lĩnh vực spintronics. Dù vẫn còn cần thêm thời gian để chuyển hóa thành sản phẩm thương mại, kết quả mới đã đưa công nghệ mạch sóng spin tiến thêm một bước đáng kể tới các ứng dụng thực tế.

NPA (Theo Tohoku University)